基于小波分析的油气管道缺陷磁记忆检测研究.pdf

2 0 1 1年 1 1月 第 3 9卷 第 2 1 期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I C S NO V ． 2 01 1 Vo l _ 3 9 No ． 21 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 1 ． 0 1 4 基于小波分析的油气管道缺陷磁记忆检测研究 刘书俊 ，李著信 ，龚利红 ，郭联欢 1 ． 后勤工程学院，重庆4 0 1 3 1 1 ；2 ．重庆通信学院，重庆 4 0 0 0 3 5 摘要金属磁记忆检测技术是目前唯一能对铁磁性构件早期损伤进行诊断的无损检测手段，能检测识别油气管道早期 损伤以及以应力集中为特征的裂纹缺陷。小波分析由于具有良好的时频局部性 ，能很好地克服傅里叶变换的不足，得到广 泛的应用。针对 目 前金属磁记忆检测技术以过零点作为缺陷判定准则存在的不足，利用小波尺度谱和再分配的尺度谱对磁 记忆信号进行分析。试验结果表明，小波再分配尺度谱能有效应用于管道缺陷的磁记忆检测之中。 关键词金属磁记忆检测；小波再分配尺度谱；小波包；降噪；缺陷识别 中图分类号T G 1 1 5 ． 2 8 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 1 0 5 4 3 S t u d y o n De f e c t De t e c t o f Oi l a n d Ga s Pi p e l i n e b y M e t a l M a g n e ti c M e mo r y T e s ti n g Te c h n o l o g y Ba s e d o n W a v e l e t An a l y s i s UU S h u n ，L I Z h u x i n ，G O N G L i h o n g ，G U O L i a n h u a n 1 ． L o g i s t i c s E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ，C h o n g q i n g 4 0 1 3 1 1 ，C h i n a ； 2 ． C h o n g q i n g C o m mu n i c a t i o n I n s t i t u t e ，C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 5 ，C h i n a Ab s t r a c t Me t a l m a g n e t i c m e m o ry t e s t i n g MM MT t e c h n o l o g y i s t h e o n l y f e a s i b l e N D T me tho d i n t h e a s p e c t o f e a r l y d i a g n o s i s t i l l n o w．w h i c h c a n d e t e c t and r e c o gni z e t h e e a r l y d a mn i fi e a t i o n and o i l a n d g as p i p e l i n e c r a c k i n the c h a r a c t e r o f s t r e s s c o n c e n tra t i o n ． Wa v e l e t i s w i d e l y a p p l i e d f o r i t h a s g o o d t i me - f r e q u e n c y l o c a t i o n c h a r a c t e r a n d c a n g e t o v e r t h e d e f i c i e n c y o f F o u ri e r t r a n s f o r m．Ai mi n g a t t h e d e fi c i e n c y o f u s i n g MMMT t o r e c o gni z e p i p e l i n e d e f e c t ，t h e r e a s s i g n e d wa v e l e t s c alo g r a m a n a l y s i s me thod W as p u t f o r w a r d t o a n - a l y z e t h e MMMT s i gna 1 ．T h e e x p e ri me n t al r e s u l t p r o v e s t h a t the r e ass i gn e d w a v e l e t s c alo g r a m i s e f f e c t i v e i n p i p e l i n e d e f e c t r e c o gni t i o n b y MMMT ． Ke y wo r d s Me t al ma gne t i c me mo r y t e s t i n g；Re a s s i gne d w a v e l e t s c alo g r a m；Wa v e l e t p a c k e t ；De n o i s i n g ；De f e c t r e c o gni t i o n 石油与天然气管道作为能源输送的重要手段，其 安全运行也备受重视。传统的无损检测方法，如超 声、漏磁、x射线等，只能检测已经发展成形的缺 陷。但对于在役设备与构件的早期损伤，则难以实现 有效预报，无法做到先知先觉。2 0世纪 9 O年代 ，俄 罗斯学者 D O U B O V率先提出金属磁记忆检测技术 ， 可对铁磁性管道进行早期诊断 。其原理可以简述 为处于地磁场环境下工作的铁磁性管道受载荷的作 用 ，内部会发生磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可 逆的重新取向，并在应力与变形集中区形成最大的漏 磁场 的变化，即应力集 中区域的磁 场切 向分量 H 具有最大值 ，而法向分量 H p Y 改变符号且具 有零值点。通过测定漏磁场法向分量 Y ，计算梯 度值 K d H Y ／ d x ，即可推断铁磁性管道的应力集 中区。如 图 1 所示 。 在大量的工程实践中发现，仅通过上述规则判定 管道缺陷会出现漏检和误检 ，法向分量过零点只是裂 纹存在的充分条件而非充要条件 。小波分析是近一 二十年来发展起来的一种新方法 ，由于其具有 良好的 时频局部性，能很好地克服傅里叶变换的不足 ，得到 广泛应用 。 图 1 磁记忆检测原理图 1 小波分析基本理论 1 ． 1 小波再分配尺度谱口 对于所有 f 、 t ∈L R ， t 的连续小波 逆变换可由式 1 表示 ● ．． x t 1 f a 0 ， 6 ； 砂 ￡ d a d b 1 收稿日期2 0 1 01 0 2 1 基金项目解放军总后勤部资助项目 油 2 0 0 4 0 2 0 7 作者简介刘书俊 1 9 8 5 一 ，男，博士生，研究方向为油气储运工程控制技术及系统。 第 2 1 期 刘书俊 等基于小波分析的油气管道缺陷磁记忆检测研究 5 5 由式 1 可知，小波变换没有损失任何信息 ，变换 是能量守恒的，因此有式 2 成立 J J J d t J 口 ～ d 。 J J a ， 6 ； 12 d b 2 根据式 2 ， 可把 I a ， b ； I 看作平面 n ，6 上 的能量密度函数， 即 l 0 ， 6 I A a A b ／ c 口 给出了以尺度 n 和时间b为中心的、尺度间隔为 △ 。 、时 间间隔为 △ 6 的能量。因此将小波尺度谱 |s 口 ， b ； 定 义为信号的连续小波变换系数模值 的平方 ，可由式 3 表示 S G , 0 ， b ； l Ⅱ ， b ； I 3 小波尺度谱可看作是一个有恒定相对带宽 的谱 图，能够反映信号的时频信息。尺度谱受 H e i s e n b e r g 测不准原理的极限制约，在高频段的频域集中性不是 很好。为了改善尺度谱的时频域集中性 ，提出了尺度 谱的再分配方法，所得到的再分配尺度谱 S G o ， b ； 可由式 4 表示 S G 0 ， b ； JJ a ／ a S G , 口 ， b ； bb ‘ 口 ， 6 占 口一a 口 ， 6 d a d b 4 6 b - R e { n 1 b 5 【 口 ， ； l。 J 志 { ㈤ t t t a t 7 t 小波再分配尺度谱在很大程度上克服了时频分布 聚集性矛盾，提高了信号的时频分布可读性，其详细 的推理过程可参见文献 [ 4 ] 。 1 ． 2小波包降噪 I 7 ] 小波包分析是从小波分析延伸出来的一种对信号 进行更加细致的分解和重构方法。在小波分析中，每 次只对上次分解的低频部分进行再分解 ，对高频部分 则不再分解 ，故在高频频段分辨率较差。小波包分析 不但对低频部分进行分解 ，而且对高频部分也做了二 次分解 ，所以小波包可以对信号的高频部分做更加细 致的刻画，对信号的分析能力更强。小波包的分解过 程 如图2所示 。 。 ’∞ ＼ ／／＼＼ 1 ． 0 1 , 1 ／＼ ／＼ 2 ， 0 2 ， 1 ／＼ ／＼ 3 ， 0 3 ， 1 3 , 2 3 ,3 2 , 2 2 , 3 ／＼ ／＼ 3 , 4 3 , 5 3 。 6 3 ， 7 图 2 小波包树 3层分解树形结构 通常，利用小波包对信号降噪可以按照以下步骤 进行 1 信号的小波包分解 ； 2 计算最佳树 即确定最佳小波包基 ； 3 对各个分解尺度下的高频系数选择一个适 当的阈值进行阈值量化处理； 4 小波包重构。 在这 4个步骤中，关键是如何选择阈值和如果进 行阈值的量化，从某种程度上说 ，它直接关系到信号 降噪的质量。 2试验 2 ． 1 试件 试验材料取 自目前在我国油气管道工程中大量应 用的一段 X 6 0级4 , 1 5 o m m管线钢，长度为 1 0 0 0 m m， 材料化学成分见表 1 。采用线切割的方法预制裂纹的 长度、角度和深度尺寸等参数的加工范围见表 2 。 表 1 X 6 0管线钢的主要化学成分 质量分数 ％ 2 ． 2试 验仪 器 试验的磁记忆信号检测设备为某学院与某公司联 合研制的 M F L 一 4 0 3 2漏磁 磁记忆检测仪，如图3 所示。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l O l l l 2 1 一工作台面2 一牵引装置卜 被溯管道4 一提离装置s 一水平仪 6 一导轨7 一指南针8 一变速器 一电机l O 一电源1 l 一显示器 l 2 一检测装置 图3 M F L ． 4 0 3 2 漏磁／ 磁记忆检测仪 5 6 机床与液压 第 3 9卷 2 ． 3管道磁记忆检测试验 对管道进行检测，采 集磁记忆信号，检测设备 言 有 1 6个检测通道，作者选 取其 中一个 通道第 6 通道的信号进行分析。采 集获取的信号如图4所示。 对信号进行小波包降 噪，降噪后的信 号及相应 的梯度曲线如图5 、6 所示。 目 宙 目 昌 ● 吕 O 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 ￡／ m n l 图 5 小波包降噪后信号 图6 梯度曲线 2 ． 4试验结果及分析 2 ． 4 ． 1 管道裂纹缺陷识别 根据俄罗斯动力诊断公司 D O U B O V的专利技术 “ 金属磁记忆检测缺陷判定准则” ，即通过测量铁 磁材料制成的工件表面散射的磁场法向分量 Y ， 找出漏磁场强度法向分量在零值线上下剧烈变化的 区域 ，并计算该分量 的梯度 ，在数值上等于磁场 强度最大值和最小值的模数差值比上两点之间的距 离 ，通过梯度的大小评价应力集 中或缺陷状况。从 图5可 以看出，曲线过零点 的位 置分别位 于 1 0 0、 2 0 0 、3 0 0 、3 9 0 、5 0 0 、6 0 0 、7 3 1 、8 0 0 m m 处 。在 上述位置曲线梯度 K均存在极大值 。因此，出现了 漏检 和误检 。 2 ． 4 ． 2 小波尺度谱 经过计算得到信号小波尺度谱图，如图7所示。 可以看出，钢管存在8个缺陷，利用尺度谱判定钢管 缺陷是可行的。但由于尺度谱时域集中性低 ，且出现 了干扰项 ，无法确定缺陷的精确位置。 量 图7 信号小波尺度谱图 2 ． 4 ． 3 小波再分配尺度谱 图8是图7 所示的尺度谱经过再分配后的结果。 从图8可以看出，尺度谱的时域和频域的集中性都得 到明显改善。另外，干扰项也得到很好的减弱。从而 可以看出，管道有8个缺陷，分布在 1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 、 4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 、7 0 0 、8 0 0 m m处 。 目 3 OO SO 0 O 5O 0O 5 O 0 图 8 信号小波再分配尺度谱 3结论 作者分别应用 目前常用的利用磁记忆信号过零 点、信号梯度存在极值的判定钢管缺陷的方法和小 波尺度谱的方法对金属磁记忆检测钢管信号进行分 析 ，经过试验对 比分析，可以发现 ，尺度谱能够反 映钢管缺 陷，但 由于尺度谱集 中性 低，某些情况 下 ，还会 出现干扰项，从而无法精确判定钢管缺陷 位置。利用再分配尺度谱的方法 ，可以明显改善尺 度谱的集 中性，在一定程度上消除干扰项 ，使再分 配尺度谱更能反映钢管缺陷位置 ，从而精确定位钢 管缺陷。 参考文献 【 1 】D O U B O V A A ． A S t u d y o f Me t a l P r o p e r t i e s U s i n g t h e Me t h o d o f Ma g n e t i c M e m o r y [ J ] ． Me t a l S c i e n c e a n d H e a t T r e a t m e n t ， 1 9 9 7 ， 3 9 9 ／ 1 0 4 0 1 4 0 5 ． 【 2 】 梁志芳， 李午申， 王迎娜 ， 等． 金属磁记忆信号的零点特 征[ J ] ． 天津大学学报， 2 0 0 6 ， 3 9 7 8 4 7 8 5 0 ． 【 3 】 廖传军， 李学军， 刘德顺 ， 等． 小波再分配尺度谱在声发 射信号特征提取中的应用[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 9， 4 5 2 2 7 3 2 7 9 ． 【 4 】 彭志科． 小波分析在旋转设备故障诊断中的应用[ D ] ． 北京 清华大学， 2 0 0 2 ． 【 5 】 何正嘉， 訾艳阳， 孟庆丰， 等． 机械设备非平稳信号的故 障诊断原理及应用[ M] ． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 0 0 ． 【 6 】飞思科技产品研发中心． 小波分析理论与 M A T L A B 7 实 现[ M ] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 5 ． 【 7 】 范显峰， 姜兴渭． 基于小波包变换的信号去噪方法研究 [ J ] ． 哈尔滨工业大学学报， 2 0 0 3 7 8 0 9 8 1 1 ． 【 8 】D O U B O V A A ． P r i n c i p l e F e a t u r e s o f M e t al Ma g n e t i c Me m ． o ry Me t h o d a n d I n s p e c t i o n T o o l s a s C o mp a r e d t o K n o w n M a gne t i c N D T M e t h o d s[ J ] ． C I N D E J o u rn al， 2 0 0 6 ， 2 7 3 1 6 2 0 ．